DE1047478B

DE1047478B - Arrangement for interferometers

Info

Publication number: DE1047478B
Application number: DES31867A
Authority: DE
Inventors: Harry Svante Svensson
Original assignee: LKB Produkter Fabriks AB
Current assignee: LKB Produkter Fabriks AB
Priority date: 1952-01-21
Filing date: 1953-01-20
Publication date: 1958-12-24
Also published as: GB725664A; CH317181A; FR1110254A

Description

Kennzeichnend für Rayleighs Interferometer ist eine spaltförmige Lichtquelle, die von einem Linsensystem abgebildet wird, in welchem bzw. im Zusammenhang mit welchem zwei Zellen mit je einer Blende angeordnet sind. Die Fig. 6 zeigt ein Rayleigh-Interferometer. A ist eine spaltförmige Lichtquelle, B₁ und B₂ ein Linsensystem, D_x und D₂ zwei Zellen, C eine Blende mit zwei Öffnungen, und E ist die Ebene für das Bild des Spaltes A. Im Bild des Spaltes, das infolge der Kleinheit der Blenden und der dadurch verursachten Beugung des Lichtes mehr oder minder verschwommen ist, wird durch das Zusammenwirken der beiden Strahlenbündel eine Anzahl Interferenzstreifen gebildet. Diese Streifen verschieben sich seitlich, wenn die Brechzahl sich in einer der Zellen verändert; somit ist es möglich, das Interferometer zur Messung der Brechzahl anzuwenden.A characteristic of Rayleigh's interferometer is a slit-shaped light source that is imaged by a lens system in which or in connection with which two cells, each with a diaphragm, are arranged. Fig. 6 shows a Rayleigh interferometer. A is a slit-shaped light source, B ₁ and B ₂ a lens system, D _x and D ₂ two cells, C a diaphragm with two openings, and E is the plane for the image of the slit A. In the image of the slit, which is due to the smallness the diaphragms and the resulting diffraction of light is more or less blurred, a number of interference fringes is formed by the interaction of the two bundles of rays. These stripes shift laterally when the refractive index changes in one of the cells; thus it is possible to use the interferometer to measure the refractive index.

Die Interferenzstreifen befinden sich innerhalb der Beugungsmaxima, die durch eine einzige Blende hervorgerufen sind. Da die übrigen Beugungsmaxima im Vergleich zu dem zentralen sehr lichtschwach sind, kann man über die Ausdehnung des Interferenzbildes aussagen, daß sie identisch mit der Ausdehnung des zentralen Beugungsmaximums ist. Die Ausdehnung des Hauptmaximums ist von der GleichungThe interference fringes are within the diffraction maxima caused by a single diaphragm are. Since the other diffraction maxima are very faint compared to the central one, one can say about the extent of the interference pattern that it is identical to the extent of the central diffraction maximum is. The extension of the principal maximum is from the equation

2Όλ2Όλ

bestimmt, in welcher D den optischen Abstand zwischen der Doppelblende und der Beobachtungsebene, λ die Wellenlänge des Lichtes und b die Spaltbreite bezeichnet. Die Größe des Interferogramms kann somit nur durch D oder b beeinflußt werden. Versuche, ein größeres Interferogramm zu erhalten, führen, welche der beiden vorerwähnten Methoden auch immer gewählt wird, zu einer kräftigen Verminderung der Lichtstärke und haben auch andere Nachteile zur Folge.determines in which D the optical distance between the double diaphragm and the observation plane, λ the wavelength of the light and b the slit width. The size of the interferogram can therefore only be influenced by D or b. Attempts to obtain a larger interferogram lead, whichever of the two aforementioned methods is always chosen, to a strong reduction in the light intensity and also result in other disadvantages.

Der Abstand zwischen den Streifen im Interferogramm wird durch folgende Gleichung bestimmt:The distance between the strips in the interferogram is determined by the following equation:

D λD λ

in welcher d den Abstand zwischen den Mitten der beiden Blendenöffnungen bedeutet. Ein Vergleich der Gleichungen (1) und (2) ergibt, daß die Anzahl der Streifen im Interferogramm vom Verhältnis zwischen d und b abhängig ist.in which d means the distance between the centers of the two aperture openings. A comparison of equations (1) and (2) shows that the number of fringes in the interferogram depends on the ratio between d and b.

Es ist wohl bekannt, daß Rayleigh-Interferenzstreifen verwaschen werden, wenn die Öffnung des Beleuchtungsspaltes zu groß gewählt wird. Diese Verwaschung hat ihren Grund in der optischen Abbildung Anordnung bei InterferometernIt is well known that Rayleigh interference fringes are washed out when the opening of the illumination slit too large is chosen. This blurring is due to the optical image Arrangement for interferometers

Anmelder:Applicant:

LKB-Produkter Fabriksaktiebolag,
StockholmLKB-Produkter Fabriksaktiebolag,
Stockholm

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Jourdan, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Kronberger Str. 46Representative: Dipl.-Ing. E. Jourdan, patent attorney,
Frankfurt / M., Kronberger Str. 46

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 21. Januar 1952Claimed priority:
Sweden from January 21, 1952

Harry Svante Svensson, Sundbyberg (Schweden),
ist als Erfinder genannt wordenHarry Svante Svensson, Sundbyberg (Sweden),
has been named as the inventor

des Beleuchtungsspaltes auf die Ebene des Interferenzphänomens. Denkt man sich einen zu breiten Spalt durch zwei unendlich schmale Spalte in einem gegenseitigen Abstand gleich der Breite des einzigen Spaltes ersetzt, dann würden diese beiden Spalte je ein scharfes Interferenzdiagramm auf der Beobachtungsebene ergeben. Auf Grund der genannten optischen Abbildung würden aber diese beiden Interferenzdiagramme seitlich verschoben und überlagert erscheinen. Die seitliche Verschiebung ist offenbar gleich dem Abstand der beiden Beleuchtungsspalte, mit dem Vergrößerungsfaktor der optischen Abbildung multipliziert. Es folgt daraus, daß die beiden Interferenzdiagramme einander vollständig verwischen, falls die hellen Streifen des einen Diagrammes mit den dunklen Streifen des anderen zusammenfallen. Das Resultat wird nicht besser sein, falls man die beiden, unendlich schmalen Spalte durch den ursprünglichen, breiten Spalt ersetzt. Diese Überlegungen führen zu der Forderung, daß die Öffnung des Beleuchtungsspaltes, mit dem Vergrößerungsfaktor der optischen Abbildung vom Spalt bis zur Beobachtungsebene multipliziert, nicht größer sein darf als die Breite der Interferenzstreifen, d. h. der halbe Wert von d in Gleichung (2). Hieraus folgt, daß, wenn d zunimmt und damit die Interferenzstreifen dichter aneinanderrücken und schmäler werden, auch der Beleuchtungsspalt schmäler gemacht werden muß, damit die Interferenzstreifen nicht verschwommen werden. Man findet also, daß auch eine steigende Anzahl Interferenzstreifen bei konstanter Interferogrammgröße eine Verringerung der Lichtstärke mit sich führt.of the illumination gap to the level of the interference phenomenon. If one imagines that a gap that is too wide is replaced by two infinitely narrow gaps at a mutual distance equal to the width of the single gap, then these two gaps would each result in a sharp interference diagram on the plane of observation. Due to the mentioned optical image, however, these two interference diagrams would appear to be laterally displaced and superimposed. The lateral shift is evidently equal to the distance between the two lighting gaps, multiplied by the magnification factor of the optical image. It follows that the two interference diagrams completely blur one another if the light stripes of one diagram coincide with the dark stripes of the other. The result will not be better if you replace the two, infinitely narrow gaps with the original, wide gap. These considerations lead to the requirement that the opening of the illumination slit, multiplied by the magnification factor of the optical image from the slit to the observation plane, must not be larger than the width of the interference fringes, ie half the value of d in equation (2). It follows from this that if d increases and thus the interference fringes move closer together and become narrower, the illumination gap must also be made narrower so that the interference fringes are not blurred. It is thus found that an increasing number of interference fringes with a constant interferogram size also leads to a reduction in the light intensity.

809 700/288809 700/288

Zusammenfassend kann "'somit behauptet werden, daß sowohl die Größe des Interferogramms als auch die Anzahl der Streifen in demselben durch die zur Verfügung stehende Lichtstärke begrenzt ist, und zwar so weitgehend,„.daß es praktisch unmöglich ist, ein Interferogramm mit mehr als zehn bis fünfzehn Streifen und mit einer größeren Breite als einigen Millimetern anzuwenden. -In summary, it can thus be stated that both the size of the interferogram and the number of strips in the same is limited by the available light intensity, and so far, ". that it is practically impossible an interferogram with more than ten to fifteen stripes and wider than a few To apply millimeters. -

Die vorliegende Erfindung zeigt nun einen Weg, diese Begrenzung zu überwinden; mit ihrer Hilfe ist es möglich, ein Interferogramm mit hunderten, ja sogar tausenden Streifen, auf eine Oberfläche von bequemer Größe verteilt, zu erzeugen. Die Lichtstärke dieser Interferogramme steht der der klassischen Rayleigh-Interferogramme in keiner Weise nach; sie ist sogar größer als diese.The present invention now shows a way to overcome this limitation; with their help is it is possible to have an interferogram with hundreds, yes even create thousands of strips spread over a conveniently sized surface. The light intensity of this Interferograms are in no way inferior to the classic Rayleigh interferograms; she is even bigger than this.

Dieses Ergebnis wird ,durch Anwendung eines Linienrasters an Stelle des Spaltes A in Fig. 6 erreicht, d. h. einer großen Anzahl miteinander paralleler Spalte als Lichtquelle an Stelle eines einzigen Spaltes. Es ist leicht einzusehen, daß, wenn man mit einer spaltförmigen Lichtquelle ein Interferogramm mit beispielsweise neun Streifen erzeugen kann, es möglich sein muß, mit zwei Spalten achtzehn, mit drei siebenundzwanzig Interferenzstreifen usw. zu erhalten, wenn die Spalte in einem solchen Abstand voneinander angeordnet werden, daß die Interferogramme nicht zusammenfallen; wenn die neu dazugekommenen Spalte näher aneinander angeordnet werden, so werden die einzelnen Interferogramme sich teilweise überdecken, wodurch die Gefahr entsteht, daß sie einander verwischen. Es muß indessen auch gewisse Beleuchtungsspaltabstände geben, für welche die verschiedenen Interferogramme einander verstärken. Wenn man solche Abstände wählt, erreicht man zwei neue Vorteile. Die Lichtstärke wird größer, und die Interferenzstreifen werden bezüglich der Lichtstärke gleichwertiger (im klassischen Interferometer haben die zentralen Streifen die größte Lichtstärke, wobei nach beiden Seiten allmählich gegen Null abklingt). Die größtmögliche Lichtstärke und deren größtmögliche Gleichförmigkeit wird erzielt, wenn man dafür sorgt, daß der Interferenzstreifen 1 von dem Beleuchtungsspalt Nr. 1 mit dem Streifen 2 von dem Spalt Nr. 2 und mit dem Streifen 3 von dem Spalt Nr. 3 (usw. das ganze Interferogramm hindurch) zusammenfällt.This result is achieved by using a line grid in place of the gap A in FIG. 6, ie a large number of mutually parallel gaps as a light source instead of a single gap. It is easy to see that if one can produce an interferogram with, for example, nine fringes with a slit-shaped light source, it must be possible to obtain eighteen with two columns, twenty-seven with three fringes, and so on, if the columns are spaced such a distance apart be that the interferograms do not coincide; if the newly added gaps are arranged closer to one another, the individual interferograms will partially overlap, which creates the risk that they will blur one another. However, there must also be certain illumination gap distances for which the various interferograms reinforce one another. If you choose such distances, you get two new advantages. The light intensity increases and the interference fringes become more equivalent in terms of light intensity (in the classic interferometer the central strips have the greatest light intensity, with gradually decreasing towards zero on both sides). The greatest possible light intensity and its greatest possible uniformity is achieved if one ensures that the interference fringe 1 from the lighting gap No. 1 with the strip 2 from the gap No. 2 and with the strip 3 from the gap No. 3 (etc.) whole interferogram) coincides.

Es ist offenbar, daß diesbezüglich eine Koinzidenzbedingung erfüllt werden muß, damit das Ergebnis des Zusammenwirkens der vielen Spalten eine Verstärkung und nicht eine Verwischung wird. Diese Bedingung kann in der Weise formuliert werden, daß das rein geometrisch-optische Bild des Rasters auf der Beobachtungsebene, d. h. das vergrößerte oder verkleinerte Bild des Rasters, das man mit vernachlässigbarer Beugung (d. h. mit großer Blende) und ohne Interferenz (d. h. ohne Doppelblende) erhält, mit demjenigen Interferenzbild übereinstimmen muß, das man erhält, wenn die Doppelblende an ihrem Platz ist. Wenn die Vergrößerung, mit welcher das Raster auf der Beobachtungsebene abgebildet wird, mit G, und der Mittelpunktsabstand zwischen den Linien des Rasters mit e bezeichnet werden, lautet also die Koinzidenzbedingung: Ge = DXId, d. h.It is evident that a coincidence condition must be satisfied in this regard so that the result of the interaction of the many gaps becomes a reinforcement and not a blurring. This condition can be formulated in such a way that the purely geometrical-optical image of the grid on the observation plane, i.e. the enlarged or reduced image of the grid that is obtained with negligible diffraction (i.e. with a large aperture) and without interference (i.e. without a double aperture) receives, must match that interference pattern that is obtained when the double diaphragm is in place. If the magnification with which the grid is mapped on the observation plane is denoted by G and the center-to-center distance between the lines of the grid is denoted by e , the coincidence condition is: Ge = DXId, ie

bleibt: Eine allgemeinere Gleichung für die Koinzidenzbedingung ist somit:remains: A more general equation for the coincidence condition therefore:

Gde = mD I,Gde = mD I,

Gde = DX. Gde = DX.

(3)(3)

Raster, bei denen der Linienabstand e um einen ganzzahligen Faktor m größer ist, erfüllen selbstverständlich auch die Koinzidenzbedingung. Sie ergeben jedoch eine Lichtstärke, die um denselben ganzzahligen Faktor hinter der größtmöglichen Lichtstärke in welcher m eine positive ganze Zahl repräsentiert.Grids in which the line spacing e is larger by an integer factor m , of course, also meet the coincidence condition. However, they result in a light intensity that is the same integer factor behind the greatest possible light intensity in which m represents a positive whole number.

Die Erfindung ist demgemäß in einer abgeänderten Interferometeranordnung nach Rayleigh zu sehen, in der an Stelle des Beleuchtungsspaltes ein Linienraster angeordnet ist, das die Gleichung (4) erfüllt.The invention is accordingly to be seen in a modified interferometer arrangement according to Rayleigh, in which a line grid is arranged in place of the illumination gap, which satisfies equation (4).

Die Methode kann auch in dem modifizierten Rayleigh-Interferometer angewendet werden, das von Calvet und Chevalerias (J. chim. phys., 43, S. 37, 1946) und von PhiIpοt und Cook (Research, 1, S. 234,1948) beschrieben worden ist; die Besonderheit dieses Instrumentes besteht darin, daß der Beleuchtungsspalt und die zu untersuchende Meßzelle vermittels eines astigmatischen Linsensystems auf eine und dieselbe Bildebene in je einen von zwei aufeinander, senkrechten Schnitten durch das optische System abgebildet wird. Es ist mit einem Interferometer dieser Art möglich, eine stetig veränderliche Brechzahl in einer Meßzelle zu registrieren. Fig. 1 zeigt ein Interferogramm, das mit Hilfe der Rayleigh-Calvet-Philpotschen Interferometeranordnung unter Anwendung der Rastermethode gemäß vorliegender Erfindung erhalten worden ist. Ein jeder Interferenzstreifen hat hier die Fo>rm des Brechzahlverlaufes in der Meßzelle.The method can also be used in the modified Rayleigh interferometer developed by Calvet and Chevalerias (J. chim. Phys., 43, p. 37, 1946) and by PhiIpοt and Cook (Research, 1, p. 234, 1948); the peculiarity of this instrument is that the lighting gap and the measuring cell to be examined by means of an astigmatic lens system one and the same image plane in one of two mutually perpendicular sections through the optical System is mapped. With an interferometer of this type it is possible to produce a continuously variable one Register the refractive index in a measuring cell. Fig. 1 shows an interferogram obtained with the aid of the Rayleigh-Calvet-Philpotschen Interferometer arrangement has been obtained using the scanning method according to the present invention. Any fringe has the shape of the refractive index curve in the measuring cell.

Es ist auch möglich, diese Brechzahlregistriermethode mit der bekannten astigmatischen Methode zur Registrierung der Ableitung der Brechzahl nach einer Meßzellenkoordinate (Philpot, Natur, 141, S. 283,1938; Svens son, Kolloid-Z., 87, S. 181,1939) zu kombinieren und weiter in der Art und Weise vorzugehen, die bereits in dem deutschen Patent 914788 beschrieben worden ist. Die Kombination kann auf zwei im Prinzip verschiedenen Wegen durchgeführt werden.It is also possible to use this refractive index registration method with the known astigmatic method for registering the derivative of the refractive index according to a measuring cell coordinate (Philpot, Natur, 141, Pp. 283, 1938; Svens son, Kolloid-Z., 87, p. 181, 1939) to combine and to proceed in the manner already described in German patent 914788 has been described. The combination can be carried out in two basically different ways will.

Gemäß der einen Methode werden als Lichtquelle ein schmaler, waagerechter Spalt und ein dazu senkrechtes Raster nebeneinander angewandt. In einem solchen Falle erhält man in der Bildebene ein Bild der Brechzahlableitung als Funktion der Meßzellenkoordinate und ein Interferogramm gemäß Fig. 1 nebeneinander. Ein solches Bild wird in Fig. 2 widergegeben. Eine Beschreibung der Einzelheiten des optischen Systems ist in dem obengenannten Patent enthalten. Der einzige Unterschied gegenüber dieser Beschreibung besteht darin, daß man ein lotrechtes Raster an Stelle eines lotrechten Spaltes anwendet.According to one method, a narrow, horizontal slit and a slit perpendicular to it are used as the light source Grid applied side by side. In such a case, an image is obtained in the image plane the derivative of the refractive index as a function of the measuring cell coordinate and an interferogram according to FIG. 1 side by side. Such an image is shown in FIG. A description of the details of the optical Systems is included in the aforementioned patent. The only difference from this description consists in using a vertical grid instead of a vertical gap.

Gemäß der anderen Methode wird als Lichtquelle eine waagerechte Reihe leuchtender Punkte angewandt, deren Abstand e voneinander die Gleichung (4) erfüllt. Eine solche Punktreihe kann beispielsweise dadurch erhalten werden, daß hinter den Kanten eines waagerechten Spaltes ein lotrechtes Linienraster angeordnet wird. Wenn unter Anwendung dieser Lichtquelle Aufnahmen gemäß der oben genannten astigmatischen Ableitungsregistrierungsmethode gemacht werden, erhält man Resultate von der Art, wie in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt werden. Das Gemeinsame für diese besteht darin, daß sie mit Hilfe von Rastern gemäß vorliegender Erfindung erhaltene Interferogramme sind, wobei jedoch die Interferenzstreifen innerhalb gewisser Felder des Bildes zufolge des charakteristischen Lichtabschneidens (Schneide in der Schlierenanordnung) im optischen System verschwinden. Der geometrische Ort der Endpunkte der Streifen bildet dann eine Kurve, die mit der- Ableitung der Brechzahl nach der Meßzellenkoordinate identisch ist. Bilder der ausAccording to the other method, a horizontal row of luminous points whose distance e from one another satisfies equation (4) is used as the light source. Such a row of points can be obtained, for example, by arranging a vertical grid of lines behind the edges of a horizontal gap. When photographs are taken using this light source in accordance with the above-mentioned lead astigmatic registration method, results of the kind shown in Figs. 3, 4 and 5 are obtained. What they have in common is that they are interferograms obtained with the aid of grids according to the present invention, but the interference fringes disappear within certain fields of the image as a result of the characteristic light cutting (cutting edge in the Schlieren arrangement) in the optical system. The geometric location of the end points of the strips then forms a curve which is identical to the derivative of the refractive index according to the measuring cell coordinate. Pictures of the

Claims

3 are obtained by using an inclined cutting edge, those of the type shown in FIG. 4 by using an inclined thread and those of the type shown in FIG. 5 by using an inclined gap in the first image plane of the lighting arrangement. Patronage claims.

1. Optical arrangement for interferometry according to Rayleigh, characterized in that a line grid is arranged in place of the illumination gap, which satisfies the equation Gde = mD λ , in which G is the magnification factor when mapping the grid onto the observation plane, d is the distance between the In the middle of the two diaphragm openings, e is the distance between the lines of the grid, D is the optical distance between the double diaphragm and the observation plane, λ is the wavelength of the light and m represents any positive whole number.

2. Optical arrangement according to claim 1 for the simultaneous registration of the refractive index and their derivation according to a position coordinate, characterized by a Philpot-Svensson arrangement for registration of the derivation in which

the lighting arrangement is supplemented by a line grid in such a way that the lines are perpendicular to the Illumination gap and are arranged to the side of this, and in which the mechanical arrangement is taken in the first image plane of the lighting arrangement that the grid coming light has free passage.

3. Optical arrangement according to claim 1 for the simultaneous registration of the refractive index and its derivation according to a position coordinate, characterized by a Philpot-Svensson arrangement for registering the derivation, in which the illumination slit is replaced by a straight row of luminous points, the distance e from each other Equation according to claim 1 is fulfilled, and in which the mechanical light dimming device in the first image plane of the point grid is formed either by an inclined edge, an inclined thread or an inclined gap, the upper end of which is connected to a horizontal gap or to a horizontal cutting edge.

Considered publications:
German patent specification No. 815 410.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings